生命起源是最具挑战性的科学问题之一。深海热液系统被认为是生命起源的潜在场所，也是探索地外生命的重要关注点，为早期地球前生命化学反应提供了理想的物质和能量，驱动了非酶催化条件下有机小分子的形成。在此基础上，矿物催化的有机聚合反应，为后续复杂生物分子的产生奠定了基础，推动了生命从简单有机分子到复杂功能结构的演变，最终导致早期生命形式的出现。
图1. “深海勇士” 号载人潜水器
近日，中国科学院南京地质古生物研究所副研究员南景博（文章第一作者）、中国科学院深海科学与工程研究所研究员彭晓彤（文章通讯作者），与荷兰乌得勒支大学、北京高压科学研究中心等国内外多家单位科研人员合作，报道了西南印度洋脊岩石圈地壳中的非生物成因有机质，并阐述了有机质在分子层面的形成机制，揭示了自然界非生物有机合成的关键路径。最新研究成果以封面论文形式发表在《美国科学院院报》（PNAS）杂志。
图2. 西南印度洋脊洋壳中微米级的非生物成因有机质及周围针铁矿的扫描电子显微镜照片
解析大洋岩石圈中非生物成因有机质的形成过程是理解地球深部碳循环、极端环境生物圈能量来源以及前生命过程和生命起源等前沿科学问题的关键。这些科学问题与国家“十四五”规划中深空、深地和深海探测的科学任务紧密相关，并得到国际科研组织的广泛关注，如涉及55个国家的超过1200名科学家参与的深部碳观测计划（Deep Carbon Observatory）以及国际大洋发现计划（IODP）399航次等。
图3. 多模态微区原位分析技术显示了有机质（CCM）中特征生物分子官能团的缺失
前人针对岩石圈地幔中不同类型的非生物成因有机质进行研究，发现它们常赋存在俯冲带及洋中脊等水-岩相互作用剧烈的区域，其中，特殊的含铁催化性矿物对这些有机质的形成至关重要。然而，对于这些矿物表面有机合成途径的机理研究仍相对较少。如果想准确识别岩石中的非生物有机质，并为寻找地外生命痕迹提供依据，深入的分子层面的非生物有机合成机理研究尤为重要。
图4. 密度泛函理论计算揭示针铁矿 （001）表面上的CO2加氢反应和C-C增长的反应路径
为此，南景博等人通过研究“深海勇士”号载人潜水器获取的玄武岩样品（TS-10航次），首次报道了在西南印度洋脊浅部洋壳中微米尺度赋存的非生物成因有机质，并发现这些有机质与针铁矿等水岩反应的产物具有密切的空间相关性。
科研人员利用多模态微区原位分析技术，包括电子显微镜、飞行时间二次离子质谱仪以及光诱导力-纳米红外光谱仪等，综合确认了有机质中特征生物分子官能团的缺失，从而揭示了其非生物成因。
在此基础上，科研人员结合密度泛函理论计算，提出了针铁矿在分子尺度对于非生物有机质催化合成的重要性。其中，热液流体中的氢气在针铁矿表面的催化循环，对二氧化碳的初始活化和有机质聚合过程中的碳链（C-C）生长起到了关键作用。这一研究开创性地将基于高精度微区分析的密度泛函理论计算应用到天然非生物有机合成过程，深入理解了洋中脊这一关键自然实验室中非生物有机质的形成机理。该项研究工作不仅为矿物参与自然有机催化反应奠定了基础，也为在其他天体热液系统中识别生命痕迹提供了重要参考。
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、欧洲研究理事会启动基金和荷兰研究理事会（NWO）Vidi基金的支持。
论文相关信息：Nan, J., Peng, X., Plümper, O., Ten Have, I.C., Lu, J.G., Liu, Q.B., Li, S.L., Hu, Y., Liu, Y., Shen, Z., Yao, W., Tao, R., Preiner, M., and Luo, Y. 2024. Unraveling abiotic organic synthesis pathways in the mafic crust of mid-ocean ridges. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), https://doi.org/10.1073/pnas.2308684121.
编辑：诸鹏飞
审核：盛捷